王波教授、王伟教授，CEJ综述：基于钾离子电池碳基负极材料初始库伦效率的见解- 大数跨境

首页

王波教授、王伟教授，CEJ综述：基于钾离子电池碳基负极材料初始库伦效率的见解

科学材料站

2021-07-07

导读：该文章首先分析了现在造成碳基负极材料低初始库伦效率的因素；然后从改善策略入手详细阐释了各种优化措施作用于ICE的机制并总结了近期以来的研究进展

文章信息

基于钾离子电池碳基负极材料初始库伦效率的见解

第一作者：王波

通讯作者：袁飞*，王伟*

单位：河北科技大学，北京航空航天大学

研究背景

可充电钾离子电池（PIBs）以其丰富的钾储量和较低的成本成为商品化锂离子电池的潜在替代品。在关键负极材料方面，碳基材料因其低成本、高电导率以及灵活多变的结构而显示出巨大的应用潜力。

然而，它们的进一步运用仍然面临着一些瓶颈，尤其是低的初始库伦效率（ICE），这严重制约了PIBs电池的能量密度。因此分析可能造成显著初始不可逆容量损失的原因并提出相应的改善策略来提高初始库伦效率是极为必要的。

文章简介

基于此，河北科技大学材料科学与工程学院王波教授科研团队与北京航空航天大学空间与环境学院王伟教授团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“An insight into the initial Coulombic efficiency of carbon-based anode materials for potassium-ion batteries”的综述文章。

该文章首先分析了现在造成碳基负极材料低初始库伦效率的因素；然后从改善策略入手详细阐释了各种优化措施作用于ICE的机制并总结了近期以来的研究进展；最后，作者对后续开发高ICE、容量以及循环稳定性的碳基负极材料做了总结与展望。

图1. 引起碳基负极材料低初始库伦效率原因以及解决方案。

本文要点

要点一：造成低初始ICE因素分析

通常碳基负极材料所展示的ICE仅为30%-60%，巨大的初始不可逆容量损失能够被归因为电解质的不可逆分解来形成固体电解质界面膜（SEI），高比表面积/孔隙率所产生的副反应（电解质的额外消耗）以及表面含氧官能团/缺陷对钾离子的不可逆捕获（部分钾离子不能参与后续充放电过程）等。

要点二：改善ICE策略分析

电极结构设计、缺陷工程、表面工程以及电解质/粘结剂优化可以显著改善初始不可逆容量损失、提高ICE。

通过结构设计能够为电极材料体积膨胀/收缩提供缓冲空间从而能避免SEI膜反复破裂与形成，并且通过孔结构优化能显著降低比表面积来减少副反应的形成，从而提高有效的提高了ICE。

通过调节碳化温度以及优化的活化步骤来合理调控缺陷位点以及含氧官能团浓度能极大的减少不可逆钾离子捕获、提高去钾化期间的活性钾离子数量。

表面碳包覆工程则可以避免活性颗粒与电解液的直接接触，防止了不可逆副反应的发生。对于电解质优化主要是是确保在初始放电过程中形成均匀且稳定的SEI膜以缓解电解液离子的持续消耗，同时优化的粘结剂则能在钾化期间保证活性颗粒不与集流体脱离。

要点三：总结与展望

随着技术的发展，众多研究策略已经被报道来改善低ICE。但该领域依然存在着较多亟待解决的问题和机会。

首先，尽管降低比表面积、表面缺陷和官能团能明显提高ICE，但充放电容量、倍率以及循环性能会被损害，寻求ICE和其他电化学参数之间的平衡依然十分重要。

其次，电解质优化与稳定SEI膜形成之间的作用机制需要结合一些原位/非原位的表征技术进一步探究，以揭示两者之间的本质联系。

最后，当前ICE优化研究通常集中于单一策略的调控，结合多种单一策略的优势进行综合探究的报道较少，因此需要给与更多的关注。此外，该研究同时也能为后续高性能碳负极材料的设计与合成提供一定的理论指导。

文章链接

An insight into the initial Coulombic efficiency of carbon-based anode materials for potassium-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131093

第一作者介绍

王波教授，博士生导师。

河北科技大学材料学院副院长，河北省柔性功能材料重点实验室副主任，河北省青年拔尖人才，河北省三三三人才，河北省金属学会理事，河北冶金青年科技奖获得者，河北省兵工学会理事，曼彻斯特大学、渥太华大学访问学者。先后主持和参与国家级课题5项，省部和厅局级级课题10余项，横向课题20余项。发表论文100余篇，其中80余篇被SCI/EI收录，授权专利6项，获河北省科技进步一等奖1项、河北省教学成果二等奖1项。主要研究方向：碱金属离子电池，全固态锂电池，超级电容器，资源综合利用。

通讯作者介绍

王伟博士，教授。

北京航空航天大学空间与环境学院教授，入选北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划，于2021年已入职北京科技大学冶金与生态工程学院。北京科技大学-英国剑桥大学联合培养博士，2016年1月获得博士学位，随后在北京大学和美国哈佛大学做博士后研究。主要从事锂/钠/钾/铝等碱金属离子电池研究、新能源材料及器件开发，多功能纳米材料制备技术等方向，是世界上较早系统开展钾离子电池方向的研究者之一。任美国物理联合会APL Materials客座编辑，Tungsten青年编委。迄今已发表SCI学术论文100余篇，授权专利10余项，以通讯/第一作者在国际高水平期刊Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Energy Environmental Science等发表SCI学术论文60余篇，引用5000余次。

课题组介绍

王波教授团队立足于河北科技大学材料科学与工程学院，长期专注于先进储能材料等科研领域，一直致力于将前沿性基础研究成果与该省经济发展紧密相连。目前，团队主要研究方向包括新型碱金属离子电池材料、全固态锂电池电解质材料。团队成员毕业于中科院、东北大学、北京科技大学等国内一流学术研究院所。近五年来，团队先后主持参与国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北省重点研发计划、石家庄市重点研发计划等项目20余项；先后承担校企合作研发项目20余项。近五年来，先后发表论文100余篇，SCI 二区以上论文30余篇，申请专利20余项。

王波教授课题组网页链接：

https://clxynew.web.hebust.edu.cn/kytdxxjs/xjtd/f79c3acf7e08477b93b232e8a258df67.htm